變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)、泵類應(yīng)用中的節(jié)能分析

張曉東 郭瑞斌

摘要：變頻調(diào)速技術(shù)作為一種通過調(diào)節(jié)電機(jī)頻率來達(dá)到節(jié)能目的的技術(shù)越來越多地被企業(yè)所青睞，通過變頻調(diào)速來降低設(shè)備使用的功率，從而降低設(shè)備的耗能，具有效率高、精度高、易操作的特點(diǎn)。本文通過介紹變頻調(diào)速技術(shù)在風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備中的應(yīng)用來分析該技術(shù)的節(jié)能效果，以期進(jìn)一步推廣該技術(shù)。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速;節(jié)能;風(fēng)機(jī);泵

傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備，電能消耗很大，而且只能以定速方式運(yùn)行，不僅功耗較大，效率也較低。如今，隨著我國社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，我國自80年代初發(fā)展了變頻調(diào)速技術(shù)，制造了一個(gè)又一個(gè)全新的智能電機(jī)，這種智能電機(jī)具有先進(jìn)的調(diào)速性能，節(jié)約電力，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，不僅解決了電能消耗大的問題，而且可使系統(tǒng)高效無壓力的運(yùn)行。目前，這種智能電機(jī)在很多領(lǐng)域得到了有效的使用，變頻調(diào)速技術(shù)也成為了現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

1風(fēng)機(jī)、泵類控制設(shè)備現(xiàn)狀

風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備運(yùn)行控制設(shè)計(jì)簡單，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如鐵路的動(dòng)力設(shè)備大多采用的就是風(fēng)機(jī)、泵類。然而，風(fēng)機(jī)、泵類控制設(shè)備面臨的巨大挑戰(zhàn)之一是電能的浪費(fèi)。大多數(shù)情況下，風(fēng)機(jī)的流量設(shè)計(jì)是以對(duì)最大風(fēng)量的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，水泵的流量設(shè)計(jì)也是按對(duì)最大流量的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)于風(fēng)機(jī)的調(diào)整方式常常采用風(fēng)門、回流等方式進(jìn)行控制，不能形成一個(gè)閉環(huán);對(duì)于水泵的調(diào)控主要通過調(diào)整閥門的大小，以及對(duì)電機(jī)的開關(guān)等方式。一些生產(chǎn)廠家為了保證產(chǎn)品的可靠性，在對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備配載動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，還留有裕量，例鼓風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)，流風(fēng)機(jī)，離心泵等。所以，很多顧客所使用的電機(jī)雖大部分時(shí)間是在額定功率下運(yùn)行的，但其不能在任何情況下進(jìn)行滿負(fù)荷的運(yùn)行。如此一來，這些電機(jī)設(shè)備除達(dá)到對(duì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的需求外，還會(huì)消耗多余的力矩，這些力矩也是有功功率的消耗，從而浪費(fèi)了大量的電能。與此同時(shí)，有些生產(chǎn)工藝在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，需要不斷的改變?cè)O(shè)備的風(fēng)量或流量，工作原理其實(shí)就是給機(jī)器施加阻力，以達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)速與流量的目的，而這種調(diào)節(jié)的方式及其消耗電能。在對(duì)于電氣的控制方面，傳統(tǒng)的方式是設(shè)置啟動(dòng)裝置，直接啟動(dòng)。這種直接啟動(dòng)的方式，目的是為了降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，而不能調(diào)控風(fēng)機(jī)、泵類的轉(zhuǎn)速，因此這種方式對(duì)于節(jié)能并沒有太大作用，相反，還會(huì)加大對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，減少設(shè)備的使用壽命。然而目前，電動(dòng)機(jī)的使用還是主流，電動(dòng)機(jī)在鐵路動(dòng)力的提供上占60%-70%，甚至更高，因此，研究風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的節(jié)能問題任重而道遠(yuǎn)，意義重大。

2變頻器的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

變頻調(diào)速器是一種通過改變電機(jī)頻率和電壓的自動(dòng)化裝置，簡稱變頻器，具有耐用性、高精度、多功能的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的風(fēng)門、閥門、擋板逐漸被變頻調(diào)速器所取代。變頻器的組成部分主要包括IGB7r模塊、集成電路板、開關(guān)、電容、電阻、CPU等零件。變頻器采用電源變換技術(shù)將電力電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)融合在一起形成綜合性的電氣設(shè)備。變頻調(diào)速器通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源輸入的頻率來控制電機(jī)的功率，通過電機(jī)電源頻率的改變來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。變頻調(diào)速器就是通過改變輸入頻率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)、電機(jī)轉(zhuǎn)差率等變量來達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2.1電動(dòng)機(jī)調(diào)速與節(jié)能的關(guān)系

作為非固定型的設(shè)備，風(fēng)機(jī)和水泵等流體機(jī)械的性質(zhì)決定了其轉(zhuǎn)速變化與流量、壓力和功率之間存在一定的運(yùn)算和邏輯關(guān)系，其中流量與轉(zhuǎn)速成一次方正比關(guān)系，壓力與轉(zhuǎn)速成二次方正比關(guān)系，功率與轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，也就是說，轉(zhuǎn)速的降低可以減少流量，從而節(jié)約能量，而最終所消耗的功率也會(huì)降低。轉(zhuǎn)速與流量之間的相互關(guān)系，可以決定其功率的大小，例如轉(zhuǎn)速下降20%時(shí)，則流量也相應(yīng)減少20%，最終的軸功率將會(huì)下降到額定功率的（1-20%）?;若流量下降60%，則轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)地下降60%，此時(shí)軸功率就會(huì)降低到額定功率的（1-60%）?。

由上可以得出，至少有兩種方式可以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和水泵的流量，首先在電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變的前提下，可以調(diào)節(jié)風(fēng)閥等來控制流量，以此來改變風(fēng)閥的開度，使管道內(nèi)的特性發(fā)生變化來增大管道內(nèi)的阻力。另一種是保持風(fēng)閥開度不變，管道內(nèi)特性不變、阻力不變，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制和調(diào)節(jié)設(shè)備的流量來降低軸功率的消耗。因此，調(diào)速在風(fēng)機(jī)和水泵等流體機(jī)械設(shè)備中的運(yùn)用在節(jié)能方面發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用。企業(yè)生產(chǎn)股衡中風(fēng)機(jī)和水泵等類似的機(jī)械比較多，通過控制其中的變量可以將耗能大的設(shè)備降低其生產(chǎn)過程中的耗能，降低企業(yè)的經(jīng)營成本，且此類設(shè)備內(nèi)附潛能巨大的節(jié)能特點(diǎn)，值得各生產(chǎn)企業(yè)的大力推廣和應(yīng)用。

2.2電機(jī)在不同頻率下運(yùn)行的節(jié)電效果

電機(jī)在不同頻率下降比下的節(jié)電率對(duì)比如下：

計(jì)算公式為：節(jié)電率=1-（1-頻率下降比）?，頻率下降比為10%、15%、20%、25%、30%時(shí)，節(jié)電率分別為27.10%、38.60%、48.80%、57.80%、65.70%。由以上計(jì)算可以得出，倘若電機(jī)的運(yùn)行頻率保持在30%的下降率，從長期的負(fù)載來看沒有擴(kuò)張趨勢(shì)，成本和效益上來說更換電機(jī)系統(tǒng)更加合理經(jīng)濟(jì)。

3節(jié)能計(jì)算

一般常用的會(huì)有兩種計(jì)算方式來計(jì)算變頻調(diào)速技術(shù)用在風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備上的節(jié)能效果：

第一種是基于在不同控制方法下，按照風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備在流量和負(fù)載的關(guān)系與實(shí)際產(chǎn)生的負(fù)荷之間的關(guān)系來計(jì)算。以離心泵為例，假設(shè)離心泵的額定流量是200m?/h，揚(yáng)程50m;配套使用的電動(dòng)機(jī)額定功率是45kw，則根據(jù)實(shí)際需要，假設(shè)水泵24小時(shí)不間斷運(yùn)行，其中11小時(shí)產(chǎn)生90%的負(fù)荷，其余時(shí)間產(chǎn)生50%負(fù)荷，按照一年300個(gè)工作日來計(jì)算每年的節(jié)電量如下：節(jié)省電量=45×300×（11×（100%-69%）+13×（95%-20%））=177660kW/H，按照0.6元每度電的價(jià)格來計(jì)算，每年累計(jì)可節(jié)省約106.6kRMB。

第二種是基于風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備在變頻調(diào)速下產(chǎn)生的負(fù)載關(guān)系來計(jì)算節(jié)約的能源，二者的關(guān)系為P/P0=（n/n0）?，額定轉(zhuǎn)速n0控制下產(chǎn)生的功率為P0，實(shí)際轉(zhuǎn)速n控制下產(chǎn)生的功率為P。以功率為20kW的工業(yè)鼓風(fēng)機(jī)為例，假設(shè)鼓風(fēng)機(jī)是24小時(shí)不間斷運(yùn)行，其中10小時(shí)產(chǎn)生90%的負(fù)荷（46Hz的頻率，擋板調(diào)節(jié)時(shí)造成98%電機(jī)功耗），其余14小時(shí)產(chǎn)生50%負(fù)荷（20Hz的頻率，擋板調(diào)節(jié)時(shí)造成70%電機(jī)功耗）。

最終可以節(jié)省的電量W=Wb-Wd=101092.992-29040=72052.992kW/H，按照0.6元每度電的價(jià)格來計(jì)算，使用變頻調(diào)速技術(shù)企業(yè)每年可節(jié)約電費(fèi)約43kRMB。

4.結(jié)束語

綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)不僅可以協(xié)助企業(yè)達(dá)到節(jié)能效益，還可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)收益。作為一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)用在風(fēng)機(jī)和泵類等設(shè)備中需要我國政府和企業(yè)大力推廣及使用，不僅是因?yàn)槠淠軌蚬?jié)約能源和資源，更是因?yàn)槠渥鳛橐豁?xiàng)先進(jìn)的技術(shù)能夠有效地提高企業(yè)的生產(chǎn)力，提升設(shè)備的效率和良率，在生產(chǎn)工藝得到滿足的同時(shí)可以降低設(shè)備維護(hù)維修成本，提高單位產(chǎn)能，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營能力和企業(yè)效益，是一種值得廣泛用于各個(gè)行業(yè)的技術(shù)。

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作者簡介：張曉東（1991.11—），男，漢族，籍貫：內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市，本科，助理工程師，研究方向：熱能與動(dòng)力工程。